基于熔焊的MEMS真空封装

　　1 引 言

　　MEMS 是指可以批量制作的，集微型机构、微型传感器和微执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型系统。高性能的射频、惯性、机械谐振器等 MEMS 器件都需要进行真空封装，而真空封装是 MEMS 封装技术的难点。目前 MEMS 器件真空封装主要采用真空回流焊工艺。真空回流焊工艺一致性差，导致真空封装后产品的成品率低。真空熔焊工艺就能克服真空回流焊的不足。目前虽然利用熔焊工艺进行气密封装比较普遍，但还未见到熔焊工艺和装置用于真空封装的报道。

　　本课题组将真空系统与熔焊系统首次集成起来实现器件级 MEMS 真空封装。通过真空系统先将封装设备腔体的气压抽取到一定的气压值，然后再利用熔焊系统将真空封装专用壳体封装起来，来实现 MEMS 真空封装。

　　2 真空熔焊封装:

　　2.1 真空封装形式:

　　本文采用电容储能焊接来实现真空封装，是利用被焊接材料的电阻热来进行焊接的，它是介于电阻焊和压力焊之间的一种特殊焊接方式。储能焊是一种成熟的焊接技术，在气密封装中已经成功使用，但是利用这一原理来进行真空封装未见有报道。在实验中主要通过调节上下电极间的焊接电压、焊接压力(气缸一次压力、二次压力)等来调整焊接参数而优化焊接质量。

　　2.2 真空封装壳体设计

　　在真空封装器件的使用过程中，气体的泄漏率与器件内外的压力差成正比。真空封装的器件内外压力差远大于气密封装的内外压力差，故真空封装对泄漏率要求比气密封装要高很多。由于现有的金属封装外壳都是在气密封装中使用，即便优化焊接质量来降低泄漏率也无法达到真空封装对泄漏率的要求，因此需要特别设计的真空封装外壳，在进行真空封装研究过程中自行设计了真空封装专用外壳。

　　2.3 真空封装标准工艺

　　针对真空熔焊，设计出一套完整的真空封装工艺：

　　(1)外壳烘烤：将待封装的管座和管帽放入真空烘箱进行真空烘烤，将真空烘箱抽真空至 10 GPa，将真空烘箱的温度调节至 200 ℃之间，并保持温度不变，烘烤时间 72 h 以上;

　　(2)熔焊设备封装腔体工作要求：反复充氮气抽真空多次，当湿度下降到 100×10-6以下时即可进行真空封装工艺(湿度由设备所带的露点仪进行测量);

　　(3)封装：调好封装工艺参数，电极电压 255V，气缸一次压力 0.4 MPa，二次压力 0.6 MPa，真空腔抽真空至 5×10- 3Pa,按下封装工作键，封装完成;

        (4)取件：真空腔中充入氮气，并取出器件和夹具;